《电工电子技术》课件第8章

第8章三极管与放大电路8.1双极型半导体三极管8.2放大电路的基本概念8.3基本放大电路的分析8.4分压偏置放大电路8.5射极输出器8.6互补功率放大电路8.7场效应半导体三极管及其放大电路小结习题

8.1双极型半导体三极管

8.1.1双极型三极管的结构

双极型三极管的种类虽然很多，但根据其结构的不同可以分为PNP型晶体管和NPN型晶体管两种，它们的结构示意图和图形符号分别如图8-1(a)、(b)所示。当前国内生产的锗管多为PNP型(3A系列)，硅管多为NPN型(3D系列)。图8-1晶体管的结构示意图和图形符号不论是PNP型还是NPN型，在结构上都由三个区(发射区、基区和集电区)、两个PN结(发射结和集电结)组成。由三个区引出的三根电极分别称为发射极E、基极B和集电极C。

为了使晶体管具有电流放大作用，在其内部结构上还必须满足两个条件：①发射区的掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度较低，基区掺杂浓度最低；②基区做得很薄。

PNP型和NPN型晶体管的工作原理相同，只是在使用时电源极性连接不同而已。在图8-2中，电路符号的箭头均表示电流的实际方向。图8-2晶体管的电流放大作用8.1.2晶体管的电流放大作用

下面分析晶体管内部载流子的运动与分配情况(即晶体管的电流放大作用)。

(1)发射区向基区发射电子。由于发射结处于正向偏置，因此多数载流子的扩散运动加强，发射区的多数载流子(电子)向基区扩散(称为发射)，同样，基区的多数载流子(空穴)也向发射区扩散，但由于发射区的电子浓度远远高于基区的空穴浓度，两者相比较可忽略基区空穴向发射区的扩散(图8-2中未画出)。由于两个电源EB和EC的负极接在发射极，所以发射区向基区发射的电子都可从电源得到补充，这样就形成了发射极电流IE。

(2)电子在基区的扩散与复合。从发射区发射到基区的电子到达基区后，由于靠近发射结附近的电子浓度高于靠近集电结附近的电子浓度，所以这些电子会向集电结附近继续扩散。在扩散过程中，有小部分电子会与基区的空穴复合，由于电源EB的正极与基极相接，这些复合掉的空穴均可由EB补充，因而形成了基极电流IB。因为基区做得很薄，电子在扩散过程中通过基区的时间很短，加上基区的空穴浓度很低，所以从发射区发射到基区的电子在基区继续向集电结附近扩散的过程中，与基区空穴复合的机会很小，因而基极电流IB也很小，大部分电子都能通过基区而达到集电结附近。

(3)集电区收集电子，从而形成集电极电流IC。由于集电结处于反向偏置，因此有利于少数载流子的漂移运动。从发射区发射到基区的电子一旦到达基区后，就变成了基区少数载流子，因而这些扩散到集电结附近的电子很容易被集电区收集而形成集电极电流IC。

由以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很少部分与基区的电子复合而形成基极电流IB，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流IC，如图8-2所示。因此，集电极电流IC就会比基极电流IB大得多，这就是晶体管的电流放大作用。如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而提高晶体管的电流放大能力。由基尔霍夫电流定律可知：

IE=IC+IB(8-1)

为了定量地说明晶体管的电流放大与分配关系，可用

图8-3所示的实验电路来测量这三个电流。所得数据如表8-1

所示。图8-3晶体管电流放大与分配的实验电路由以上数据可知：

(1)当IB=0时，IC=IE的值很小，约等于零。

(2)每组数据均满足IE=IC+IB。

(3)每组数据的IC均远大于IB，IC与IB的比值称为晶体管共射接法时的静态(直流)电流放大系数，用表示，即

比如，将IB=0.06mA，IC=2.30mA代入，则有

(4)基极电流IB的微小变化ΔIB，会引起集电极电流IC的很大变化ΔIC。ΔIC与ΔIB的比值称为晶体管共射接法时的动态(交流)电流放大系数，用β表示，即

必须注意的是，晶体管的电流放大作用实质上是电流控制作用，是用一个较小的基极电流去控制一个较大的集电极电流，这个较大的集电极电流是由直流电源EC提供的，并不是晶体管本身把一个小的电流放大成了一个大的电流，这一点需用能量守恒的观点去分析。所以，晶体管是一种电流控制元件。8.1.3三极管的共射特性曲线

1．输入特性曲线

输入特性曲线是在保持集电极与发射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路中的基极电流IB与基极-发射极间电压UBE的关系曲线。它反映了晶体管输入回路中电压与电流的关系，其函数表达式为

(8-2)输入特性曲线可分以下步骤作出。

(1)作一条UCE=0时的输入特性曲线。当UCE=0时，集电极与发射极间相当于短路，如图8-4所示，从输入端看，发射结和集电结相当于两个并联的二极管，所以晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线基本一致，如图8-5所示。图8-4

UCE=0时的晶体管等效电路图8-5三极管的输入特性曲线

(2)作UCE=1V的曲线。当UCE=1V时，集电结已反向偏置，内电场已足够大，从发射区发射到基区的电子绝大部分会被集电区收集而形成集电极电流。这样，在UBE一定的情

况下，从发射区发射到基区的电子数目是一定的。当UCE=0时，这些电子进入基区后不会被集电结收集过去，这就增加了与基区空穴复合的机会，使IB较大；当UCE=1V时，这些电子进入基区后绝大部分会被集电区收集过去，因而使IB相对

减小。所以，UCE=1V时的输入特性曲线较UCE=0时的曲线向右移动了一段距离。由于在UBE不变的情况下，从发射区发射到基区的电子数目是一定的，因此当UCE=1V时，就足以将基区中的绝大部分电子拉入集电区。如果此时再增大UCE，IB也不会有明显的减小。因此，UCE>1V的输入特性曲线与UCE=1V的基本重合。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性曲线。

2．输出特性曲线

输出特性曲线是在IB为某一常数时，输出回路中IC与UCE的关系曲线，它反映了晶体管输出回路中电压与电流的关系。其函数表达式为

(8-3)

在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图8-6所示。由输出特性曲线可知：

(1)IB一定时，从发射区发射到基区的电子数目大致是一定的，IB越大，从发射区发射到基区的电子数目就越多，相应的IC也越大，这就是晶体管的电流控制与放大作用。

(2)特性曲线的起始部分较陡，即在UCE很小时，只要UCE略有增加，就会使集电结的内电场得到加强，漂移运动就会迅速增加，使IC迅速加大，此时IC主要受UCE的影响。UCE超过一个不大的值(约1V)后，集电结的内电场已经足够强了，从发射区发射到基区的电子绝大部分已被拉入集电区而形成IC，即使再加大UCE，IC也不会有明显的增加，此时的曲线比较平坦，具有恒流特性。

(3)晶体管可以工作在输出特性曲线的三个区域内，如图8-6所示。图8-6晶体管的输出特性曲线①输出特性曲线的近于水平部分是放大区。晶体管工作在放大区的主要特征是：发射结正向偏置，集电结反向偏置，IC与IB间具有线性关系，即IC=

IB。在放大电路中的晶体管必须工作在放大区。

②IB=0的曲线以下的区域称为截止区。晶体管工作在截止区的主要特征是：IB=0，IC=ICEO≈0(ICEO称为集电极到发射极的穿透电流，一般很小，可以忽略不计)，相当于晶体管的三个极之间都处于断开状态。由图8-5所示的输入特性曲线可知，要使IB=0，只要UBE小于死区电压(硅管约0.5V，锗管约0.2V)即可。但为了使晶体管可靠截止，往往使发射结反向偏置，集电结也处于反向偏置。③在输出特性曲线的左侧，IC趋于直线上升的部分，可看做是饱和区。晶体管工作在饱和区的主要特征是：UCE<UBE，即集电结为正向偏置，发射结也是正向偏置；IB的变化对IC的影响不大，两者不成正比，不符合因不同IB的各条曲线几乎都重合在一起，故此时IB对IC已失去控制作用。8.1.4半导体三极管的参数

1．电流放大系数和β

称为晶体管共射接法时的静态(直流)电流放大系数。

称为晶体管共射接法时的动态(交流)电流放大系数。

与β两者的含义是不同的，但两者的数值较为接近，今后在进行估算时，可认为=β。

2.穿透电流ICEO

ICEO是指基极开路(IB=0)时，集电极到发射极间的电流。图8-7所示是测量穿透电流的电路。管子的穿透电流越小越好。一般硅管的ICEO在几微安以下，锗管为几十微安到几百微安。穿透电流受温度的影响很大，温度升高会使ICEO明显增大。

管子的β值越高，ICEO也会越大，所以β值大的管子温度稳

定性差。图8-7测量穿透电流的电路

3．集电极最大允许电流ICM

集电极电流IC超过一定值后，β值下降。β值下降到正常值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。因此，在使用晶体管时，IC超过ICM时，管子虽不至于被烧毁，但β值却下降了许多。

4．集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO

基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压称为集电极-发射极反向击穿电压。使用时，加在集电极-发射极间的实际电压应小于此反向击穿电压，以免管子被击穿。

5．集电极最大允许耗散功率PCM

因IC在流经集电结时会产生热量，使结温升高，故会引起晶体管参数的变化，严重时会导致管子烧毁。因此必须限制管子的耗散功率。在规定结温不超过允许值(锗管为70～

90℃，硅管为150℃)时，集电极所消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率PCM。其计算式为

PCM=ICUCE

(8-4)

如图8-6所示，在晶体管输出特性曲线上作出PCM曲线，称为功耗线。

8.2放大电路的基本概念

8.2.1放大的概念

1.信号放大的概念

一个需要被放大的电信号(例如从天线或传感器得到的信号)，其电压、电流的幅度往往是很小的，通常是毫伏、微安数量级甚至更小，不足以推动负载(例如喇叭、指示仪表、执行机构)运行。这个信号被放大以后，它随时间而变化的规律要与放大前严格一致，但是其电压、电流的幅度得到了较大提高。信号的这种变化过程称为放大。实现放大功能的电子电路称为放大电路(也称为放大器)。

2.放大电路的结构示意图

放大电路的结构示意图如图8-8所示。

放大电路具有以下基本特点:

(1)放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。

(2)输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。

(3)能够控制能量转换的器件称为有源器件，如半导体三极管、场效应管、集成放大器等。它们是组成放大电路的核心器件。图8-8放大电路的结构示意图8.2.2放大电路的主要技术指标

放大电路的性能指标可以衡量一个放大器性能的好坏和特点。性能指标主要包括放大倍数(或增益)、输入电阻、输出电阻、通频带等。

由于放大电路可以看成是一个有源四端双口网络，因此为了讨论放大电路的性能指标，将放大电路的等效网络重画于图8-9中，并按双口网络的一般约定画出电流的方向和电压的极性，同时假定输入信号为正弦波，图中的电流和电压均采用相量表示。这样，我们就可以由这个网络的端口特性来描述放大电路的性能指标。图8-9放大电路示意图

1．放大倍数(或增益)

为衡量放大电路的放大能力，规定不失真时的输出量与输入量的比值叫做放大电路的放大倍数(A)，若换算为分贝数表示，则称为增益(G)，即

(8-5)

电压放大倍数定义为输出电压与输入电压之比，即

(8-6)

电流放大倍数定义为输出电流与输入电流之比，即

(8-7)

2．输入电阻ri

从放大电路的输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻，定义为

(8-8)

输入电阻的大小决定了放大电路从信号源得到的信号幅度的大小，如图8-9所示，可得

(8-9)

3．输出电阻ro

输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，定义为

(8-10)

式(8-10)表示输出电阻被定义为在输入电压源短路(电流源开路)并保留Rs和负载开路(因为负载并不属于放大电路)的情况下，如图8-10所示，放大电路的输出端所加测试电压UT与其产生的测试电流IT的比值。图8-10放大电路的输出电阻输出电阻的大小决定了放大电路带负载的能力。在图8-9中，放大电路的输出信号相当于负载的信号源，放大电路的输出电阻相当于信号源的内阻。可以看出，负载上得到的输出电压并不与放大电路开路输出电压相等，它们之间符合这样的关系：

(8-11)

4．通频带

由于放大电路存在电抗元件或等效电抗元件，因此信号频率过高或过低，放大倍数都要明显地下降。但是，在中间一段频率范围内，各种电抗的影响都可忽略，放大倍数基本不变，通常将此放大倍数称为中频放大倍数，记做Am。使放大倍数下降至0.707Am(即Am的1/

)时所对应的高、低频率分别称为上限频率fH及下限频率fL，如图8-11所示。图8-11放大电路的频率指标放大电路的通频带宽度定义为

BW=fH－fL

(8-12)

通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。8.2.3基本放大电路的组成

图8-12是共发射极接法的基本交流放大电路。图中，输入端接需要进行放大的交流信号源，信号源的电动势为es，频率在20Hz～200kHz范围内(属低频信号)，Rs为信号源的内阻，输出端接负载电阻RL，输出电压为uo。图8-12基本交流放大电路在图8-12所示的电路中，用了两个直流电源EC和EB，实际上EB可以省去，只由EC供电，将RB改接到EC的正极与基极之间，适当改变RB的阻值，仍可使发射结正向偏置，如图

8-13(a)所示。图8-13基本交流放大电路

8.3基本放大电路的分析

8.3.1基本放大电路的静态分析

1.放大电路静态工作点的估算求解法

由于C1和C2具有隔断直流的作用，所以图8-13(b)所示的基本交流放大电路的直流通路如图8-14所示。利用此直流通路，就可求出放大电路的各静态值。由图8-14可得

UCC=IBRB+UBE图8-14放大电路的直流通路由于UBE为晶体管发射结的静态压降，因此从晶体管的输入特性曲线可知，UBE的值较小且变化不大。通常硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。UBE与UCC相比可忽略不计。因此，有

(8-13)

(8-14)

(8-15)

【例8-1】在图8-14中，已知UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，=37.5，试求放大电路的静态值。

解由式(8-13)~式(8-15)可得

2.放大电路的静态图解分析

在如图8-14所示的直流通路中，若晶体管的输出特性曲线如图8-15所示，那么晶体管的IC与UCE之间必须满足该输出特性曲线。图8-15用图解法确定放大电路的静态工作点另一方面，从图8-14所示的直流通路中可知，IC与UCE之间必须满足基尔霍夫电压定律(即结构约束)，即

UCC=ICRC+UCE

(8-16)

或

(8-17)

因此，IC与UCE必须同时满足输出特性曲线和结构约束曲线。这两条曲线的交点处坐标即为IC和UCE之值。将这两条线对应的两个式子联立求解，即可求出IC和UCE之值。

【例8-2】在图8-14中，所用元件参数均与例8-1相同，晶体管的输出特性曲线如图8-15所示。试作出直流负载线并求静态工作点。

解由图8-14可列出输出回路的电压方程为

UCC=ICRC+UCE

此式即为直流负载线方程，只要找出这条直线上的两个特殊点(分别为横轴和纵轴上的截距)，就可作出该直线。当IC=0时，有

UCE=UCC=12V

当UCE=0时，有

在图8-15中作出该直流负载线。由图8-14可知:

则直流负载线与IB=40μA的那条输出特性曲线的交点Q即为该交流放大电路的静态工作点。静态值为

IB=40μA

IC=1.5mA

UCE=6V

以上结果与例8-1采用估算法所得结果一致。8.3.2基本放大电路的动态分析

1.图解法

下面我们用图解法分析不带负载时交流放大电路的动态情况。

在如图8-16所示的交流放大电路中，各元件参数均已在图中标出，晶体管的输入和输出特性曲线如图8-17所示。若放大电路的输入信号ui=0.02sin(ωt)，则晶体管基极和发射极间的电压uBE就是在原有直流分量UBE的基础上叠加了一个交流分量ui，即

uBE=UBE+ui

由于uBE随着输入信号在变化，因此基极电流iB也会发生变化，从输入特性曲线上可相应作出iB的波形。它是在直流量IB的基础上叠加了一个交流信号，即

iB=IB+ib图8-16不带负载的交流放大电路图8-17用图解法分析放大电路的动态情况由图8-17中iB的波形可知，iB在20～60μA之间变动。

因为我们分析的是不带负载的简单情况，对放大电路的输出回路而言，其交流通路与直流通路没有本质上的区别，因此可用直流负载线来讨论交流信号放大的情况。

由图8-17所示的输出特性曲线可知，静态时直流负载线与IB=40μA的那条输出特性曲线的交点为Q，相应的静态值为

IB=40μA，IC=1.5mA，UCE=6V由于输入信号使iB在20～60μA之间变化，因此相应的工作点会沿着直流负载线在Q2、Q1之间来回移动。相应地作出iC和uCE的波形，如图8-17所示，可知

iC=IC+ic

uCE=UCE+uce=UCE+uo

由于电容器C2的隔直作用，在放大器的输出端可以得到一个不含直流成分的交流输出电压uo。很显然，输出的交流电压uo就等于晶体管集电极-发射极间电压的交流分量uce，即

uo=uce由以上图解法分析可得出如下结论:

(1)当放大器有交流信号输入时，晶体管各极的电流和电压都是在原静态(直流)的基础上叠加了一个由交流输入信号产生的交流分量，即

(2)如无失真，则电路中各处电流与电压的交流分量，如ib、ube、ic、uce与uo，都是和输入信号ui频率相同的正弦量。

(3)在共射接法的交流放大电路中，输出电压与输入电压的相位相反。这是因为在输入信号的正半周时，基极电流iB在原来静态值的基础上增大，iC也随之增大，由式

uCE=UCC－iCRC

可知，uCE会在原来静态的基础上减小，因此，ui为正半周(正值)时，uo=uce为负半周(负值)，当ui为负半周时，uo=uce为正半周。这种现象称为放大器的倒相。由图8-17可以计算出放大电路的电压放大倍数Au。输入

电压的幅值为0.02V，从图中可量出输出电压的幅值为3V，则一个放大器除了要有一定的电压放大倍数外，还需要使所放大的信号不失真，即输入信号是一个正弦波时，输出信号也应是一个放大了的正弦波，否则就会出现失真。造成失真的主要原因是静态工作点设置偏高(接近饱和区)或偏低(接近截止区)。如图8-18所示，如果静态时基极电流IB太大，工作点偏高(Q1点)，则会造成饱和失真，使输出电压的负半周被削平；如果静态时基极电流太小，工作点偏低(Q2点)，则会造成截止失真，使输出电压的正半周被削平。所以，要使放大器对信号进行不失真的放大，必须给放大器设置合适的静态工作点。图8-18工作点不合适而引起的波形失真

2.微变等效电路法

1)晶体管的微变等效电路

从图8-19(a)所示的晶体管电路的输入端看，ib与ube之间应该遵循晶体管的输入特性曲线，是非线性的。图8-19晶体管及其微变等效电路但当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线，如图8-20所示。因此，在这一小段直线范围内，ΔUBE与ΔIB之比为常数，称为晶体管的输入电阻，用rbe表示，即

(8-18)图8-20由输入特性曲线求rbe因此，在小信号的情况下，晶体管的输入电路可用电阻rbe来代替，如图8-19(b)所示。低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算:

(8-19)

式中，IE是发射极电流的静态值。rbe一般为几百欧到几千欧。必须注意的是，rbe是晶体管输入电路对交流(动态)信号所呈现的一个动态电阻，它不等于静态值UBE与IB之比值，即rbe≠从晶体管的输出特性曲线可以看出，当晶体管工作在放大区时，如图8-17所示，输出特性为一组近似与横轴平行的直线，因此uce对ic的影响不大，ic只由ib决定，即

ic=βib

所以，晶体管的输出电路可用一个电流源ic=βib等效，如图8-19(b)所示。必须注意，这个电流源ic是受基极电流ib控制的，这就体现了晶体管的电流控制作用。当ib=0时，ic=βib

也不复存在。

2)放大电路的微变等效电路

在进行放大电路的分析和计算时，通常采用的方法是将放大电路的静态计算与动态计算分开进行。在进行静态分析时，先画出放大电流的直流通路，根据直流通路采用估算法或图解法求静态值(静态工作点)。进行动态分析时，先画出放大电路的交流通路。图8-21(a)是图8-13(b)所示的基本交流放大电路的交流通路。对于交流信号而言，电容C1和C2可视做短路。因一般直流电源的内阻很小，交流信号在电源内阻上的压降可以忽略不计，所以对交流而言，直流电源也可认为是短路的。根据以上原则就可以画出放大电路的交流通路。然后，将交流通路中的晶体管用它的微变等效电路代替，这样就得到了放大电路的微变等效电路，如图8-21(b)所示。图8-21放大电路的交流通路和微变等效电路

3)电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的计算

利用放大电路的微变等效电路，可以很方便地计算电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。设输入的是正弦信号，则微变等效电路中的电压和电流均可用相量表示，如图8-22所示。图8-22微变等效电路由图8-22可得:

式中，RL′=RC∥RL，是放大器总的等效交流负载。因此，放大电路的电压放大倍数为

(8-20)

式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反。当放大电路不接负载(输出端开路)时，有

(8-21)

可见，接上负载RL后，电压放大倍数要下降。

放大电路的输入电阻是从放大电路的输入端看进去的等效电阻，其表达式为

(8-22)

放大电路的输入电阻就是信号源的负载电阻，如图8-23所示。图8-23放大器的输入电阻由图8-23可知，如果放大电路的输入电阻较小，则对电路有以下几种影响。

(1)信号源输出的电流将较大，这就相应增加了信号源的负担。

(2)实际加在放大器输入端的电压将较小，在放大器放大倍数不变的情况下，其输出电压将变小。

(3)在多级放大电路中，后一级的输入电阻就是前一级的负载电阻，这样会降低前一级的电压放大倍数。因此，总是希望放大电路的输入电阻大一些好。图8-23所示的放大电路的输入电阻为

ri=RB∥rbe

(8-23)

因RB>>rbe，故ri≈rbe，因此，这种放大器的输入电阻不高。

注意：式(8-23)中只表示ri的值约等于rbe，但ri和rbe的意义是不同的，ri是指放大电路的输入电阻，rbe是晶体管的输入电阻，二者不能混淆。放大电路的输出电阻是从放大电路的输出端看进去的一个电阻。图8-21(b)所示电路的输出电阻为

ro=RC

(8-24)

这表明共射接法的放大电路的输出电阻就等于集电极负载电阻RC，一般为几千欧到十几千欧，比较大。通常希望放大电路的输出电阻小一点，这样可提高放大器带负载的能力。

【例8-3】在图8-13(b)所示的放大电路中,已知UCC=12V,

RC=4kΩ，RB=300kΩ，RL=4kΩ，β=37.5，试求不带负载与带负载两种情况下的电压放大倍数及放大电路的输入电阻和输出电阻。

解在例8-1中已求出

IC=1.5mA≈IE

则晶体管的输入电阻为不带负载时的电压放大倍数为

带负载时，等效负载电阻为

电压放大倍数为

可见，放大器带负载后电压放大倍数降低了。放大电路的输入电阻为

ri=RB∥rbe≈rbe=0.967kΩ

输出电阻为

ro=RC=4kΩ

8.4分压偏置放大电路

在固定偏置电路中，基极偏流

是固定不变的，当温度升高时，晶体管的穿透电流ICEO会随着增大，这就导致晶体管的整个输出特性曲线向上平移，如图8-24中的虚线所示。在IB不变的情况下，所对应的IC

都增大了，工作点由原来的Q点移到了Q′点。严重时会使原来设置合适的工作点移到饱和区，使放大电路不能正常工作。为此，必须对这种固定偏置电路进行改进。由于温度升高的结果会导致IC增大，因此改进后的偏置电路就应具有这样的功能，即只要IC增大，基极偏流IB就自动减小，用IB的减小去抑制IC的增大，以保持工作点基本稳定。图8-24温度对静态工作点的影响分压式偏置电路能自动稳定工作点，其电路如图8-25(a)所示。其中，RB1和RB2构成偏置电路。图8-25(b)所示为其直

流通路。该电路是通过如下两个环节来自动稳定静态工作

点的。图8-25分压式偏置电路及其直流通路

(1)由电阻RB1和RB2分压为晶体管提供一个固定的基极电位UB。

由图8-25(b)可知

I1=I2+IB

(8-25)

若使I2>>IB，则

(8-26)

基极电压：

(8-27)

可见，UB与晶体管的参数无关，不受温度的影响，仅由RB1和RB2的分压电路所决定。为了使UB恒定不变，基本上不受IB变化的影响，应使I2远远大于IB，这就要使RB1和RB2的值取得较小。但若RB1和RB2值过小，则会产生两个后果：其一是这两个电阻消耗的直流功率会较大；其二是会减小放大电路的输入电阻。因此，要统筹兼顾，通常按下式来确定I2，即

I2=(5～10)IB(8-28)

(2)发射极电阻RE的采样作用。

因流过发射极电阻RE的电流为IE=IB+IC≈IC，故如果温度升高导致IC增大，那么晶体管发射极的电压UE=IERE≈ICRE就会相应升高，在基极电压UB固定不变的情况下，UBE=UB-UE将会减小，从而使IB减小，这样就抑制了IC的增大。这个自动调节过程可表示如下：为了提高这种自动调节的灵敏度，采样电阻RE越大越好，这样，只要IC发生一点微小的变化，就会使UE发生明显的变化。但RE太大会使其上的静态压降增大，在电源电压一定的情况下，管子的静态压降UCE就会相应减小，从而减小了放大电路输出电压的变化范围。因此RE不能取得过大，要统筹兼顾，通常按下式来选择，即

UE=(5～10)UBE

(8-29)

【例8-4】在图8-25(a)所示的放大电路中,已知UCC=12V,

RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=2kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=40，C1、C2和CE对交流信号而言均可视做短路。

(1)用估算法求静态值；

(2)求有旁路电容和无旁路电容两种情况下的电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro；

(3)当信号源电动势es=0.02sin(ωt)V，内阻Rs=0.5kΩ时，求有旁路电容时的输出电压Uo。

解

(1)利用图8-25(b)所示的直流通路估算静态值，得

发射极电流为

集电极电流为

IC≈IE=1.65mA基极电流为

管子的静态压降为

UCE≈UCC－IC(RC+RE)

=12－1.65×(2+2)=5.4V

(2)有旁路电容CE时，该放大电路的微变等效电路如图

8-26所示。

因此可得：图8-26有旁路电路CE时的微变等效电路无旁路电容时，该放大电路的微变等效电路如图8-27

所示。

由图可知:

电压放大倍数为图8-27无旁路电容CE时的微变等效电路可见，不接旁路电容时，电压放大倍数会明显降低。代入有关数据后可得

从图8-27中ab两端往右看进去的等效电阻为则此种情况的输入电阻为

两种情况下的输出电阻均为ro=RC=2kΩ。

(3)当es=0.02sin(ωt)V，Rs=0.5kΩ时，由图8-26可知：

则所以

因有旁路电容时的电压放大倍数:

Au=51

所以

Uo=0.00925×51=0.472V

8.5射极输出器

射极输出器的电路如图8-28(a)所示。和前面所讲的放大电路相比，射极输出器在电路结构上有两点不同：一是前面放大电路是从晶体管的集电极和“地”之间取输出电压，而本电路是从发射极和“地”之间取输出电压，故称为射极输出器；二是前面放大电路为共发射极接法，而从图8-28(b)所示的射极输出器的微变等效电路中可以看出，集电极C对于交流信号而言是接“地”的，这样集电极就成了输入电路与输出电路的公共端，所以，射极输出器为共集电极电路。

图8-28射极输出器及其微变等效电路8.5.1静态分析

利用射极输出器的直接通路可求出各静态值。因为

(8-30)

所以

(8-31)

(8-32)

(8-33)8.5.2动态分析

1．电压放大倍数

由图8-28(b)所示的微变等效电路可得

(8-34)

则

(8-35)

式中，RL′=RE∥RL。由式(8-35)可知：

(1)因为rbe<<(1+β)RL′，所以射极输出器的电压放大倍数接近于1，但恒小于1。故射极输出器无电压放大作用。由于Ie=(1+β)Ib，因此有电流放大和功率放大作用。

(2)输出电压与输入电压同相，且大小近似相等，即

这就是射极输出器的跟随作用(即输出电压跟着输入电压的变化而变化)，故射极输出器又称为射极跟随器。

2．输入电阻

从图8-28(b)所示的微变等效电路的输入端看进去，射极输出器的输入电阻为

ri=RB∥［rbe+(1+β)RL′］

(8-36)

由式(8-36)可知，因为RB的值一般为几十千欧到几百千欧，rbe+(1+β)RL′一般也有几十千欧以上，所以射极输出器具有很高的输入电阻，一般可达几十千欧到几百千欧，比前面所讲的共射接法的放大电路的输入电阻大得多。

3．输出电阻

从图8-28(b)所示的微变等效电路的输出端看进去，射极输出器的输出电阻为

(8-37)

式中，Rs′=Rs∥RB。

例如，β=40，rbe=0.8kΩ，Rs=50Ω，RB=120kΩ，则

【例8-5】在图8-28(a)所示的射极输出器中，已知UCC=12V，β=50，RB=200kΩ，RE=2kΩ，RL=2kΩ，信号源内阻Rs=0.5kΩ。试求:

(1)静态值；

(2)Au、ri和ro。

解

(1)

(2)

则

8.6互补功率放大电路

一个多级放大电路通常由输入级、中间级和输出级组成，如图8-29所示。输入级以解决与信号源的匹配及抑制零漂为主；中间级又称为电压放大级，负责将微弱的输入信号电压放大到足够的幅度；输出级的任务是向负载提供足够大的输出功率，以推动负载工作，例如使喇叭发声，使仪表指针偏转，使继电器动作，使电动机旋转等，所以输出级又称为功率放大级。

图8-29多级放大电路8.6.1对功率放大电路的基本要求

对功率放大电路(功率放大器)的基本要求有3点：

(1)输出功率尽可能大。为了获得较大的功率，晶体管一般都工作在高电压、大电流的极限情况下，但不得超过晶体管的极限参数PCM、ICM和U(BR)CEO。

(2)效率要高。由于功率放大器的输出功率大，因而直流电源所提供的功率也大。这就要求功率放大器在将直流功率转变为按输入信号变化的交流功率时，尽可能提高效率。功率放大器的效率η等于其输出的交流功率Po与直流电源提供的直流功率PE的比值，即

(8-38)由式(8-38)可知，要想提高效率，必须从两方面着手：一是尽量使放大电路的动态工作范围加大，以此来增大输出交流电压和电流的幅度，从而增大输出功率；二是减小电源供给的直流功率。在UCC一定的情况下，电源供给的直流功率为

PE=UCCIC(AV)

(8-39)

式中，IC(AV)是集电极电流的平均值。为了减小PE，可将静态工作点Q沿负载线下移，使静态电流IC减小。在前面所讲的电压放大电路中，静态工作点一般都设在负载线的中点，如图8-30(a)所示，这类工作状态称为甲类工作状态。甲类工作状态时的最高效率也只能达到50%。图

8-30(b)所示为乙类工作状态，此时的工作点位于截止区，静态电流IC≈0，晶体管的损耗最小，工作在乙类状态的最高效率可达到78.5%。图8-30(c)所示为甲乙类工作状态，工作点介于甲类与乙类工作状态之间。

图8-30放大电路的工作状态

(3)非线性失真要小。由于功率放大器是大信号运行，因此其工作点的移动范围很大，接近于管子的截止区和饱和区。又因为晶体管是一种非线性元件，因此其波形易产生较大的非线性失真。虽然功率放大器的输出波形不可能完全不失真，但是要使失真限制在规定的允许范围内。8.6.2

OCL互补功率放大电路

图8-31所示是OCL乙类互补对称放大电路。图中，EC1=EC2；晶体管V1是NPN型，V2是PNP型，V1和V2的性能基本一致；两个晶体管的基极和发射极彼此分别连在一起；信号由基极输入，然后从发射极传送到负载。这个电路实际上是由两个射极输出器组成的。静态时，由于基极回路没有偏流，两个晶体管都处于截止状态，静态集电极电流IC1=IC2≈0,所以电路工作在乙类状态。

图8-31

OCL乙类互补对称放大电路有输入信号时，在信号的正半周，V1导通，V2截止，电流iC1按如图8-31中所示的方向流经负载RL，在负载上产生输出电压的正半周，如图8-32所示；在信号的负半周，V1截止，V2导通，电流iC2按如图8-31中所示的方向流经负载RL，在RL上产生输出电压的负半周，如图8-32所示。在信号的一个周期内，V1和V2轮流导通，iC1和iC2分别从相反的方向流经RL，在RL上合成为一个完整的波形，因此该电路称为互补对称式功率放大电路。由于这种电路的输出端没有耦合电容，所以又称为无输出电容电路，简称OCL电路。图8-32交越失真为了克服交越失真，应设置偏置电路，给V1和V2提供很小的基极偏流，使放大电路工作在甲乙类状态。图8-33就是一种工作在甲乙类状态下的OCL互补对称放大电路。图中，二极管VD1和VD2串联后接在V1和V2的基极之间，静态时，VD1和VD2的正向压降可使V1和V2处于微导通状态，因此电路的静态工作点较低，处于甲乙类工作状态。因为两个晶体管的特性基本一致，电路是对称的，使得两管的发射极电位UE=0，所以静态时负载上没有电流。图8-33放大电路工作在甲乙类状态8.6.3

OTL互补功率放大电路

8.6.2节介绍的OCL电路需要两个电源，为了省去一个电源，可采用如图8-34所示的无输出变压器的互补对称放大电路，这种电路简称为OTL电路。该电路用一个容量较大的耦合电容C代替了图8-31中EC2的作用。静态时，由于两管的基极均无偏流，所以V1和V2均处于截止状态，电路工作于乙类状态。由于电路的对称性，两管发射极的静态电位

电容器上的直流电压也等于图8-34

OTL互补对称放大电路8.6.4复合管

上述互补对称电路要求有一对特性相同的NPN和PNP型输出功率管。在输出功率较小时，比较容易选配这对晶体管，但在要求输出功率较大时，就难于配对，因此采用复合管。图8-35列举了两种类型的复合管。图8-35复合管下面以图8-35(a)所示的复合管为例，讨论复合管的电流放大系数。因

ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2=β1ib1+β2ie1

=β1ib1+β2(1+β1)ib1≈β1β2ib1

(8-40)

可得复合管的电流放大系数为

(8-41)由图8-35(b)可以看出，复合管的类型与第一个晶体管V1相同，而与后接晶体管V2的类型无关。

图8-36是一个由复合管组成的OTL互补对称放大电路。将复合管分别看成一个NPN型和一个PNP型晶体管后，该电路与图8-34所示的电路完全相同。图8-36由复合管组成的OTL互补对称电路8.6.5集成功率放大器简介

5G37的内部是由两级直接耦合电路组成的OTL功率放大电路。它具有工作电源范围大(可在6~18V的直流电源下正常工作)、使用灵活等优点，并具有足够的输出功率(在18V的直流电源下，可向8Ω负载提供2～3W的不失真功率)，主要用于彩色、黑白电视机的伴音功率放大电路或其他音频设备中的功率放大器。5G37的外引线排列图如图8-37所示。图8-37

5G37的外引线排列图各引脚的功能如下：

引脚1：闭环增益控制。

引脚2：输入端。

引脚3，4：防止自激振荡。

引脚5：接地端。

引脚6：输出端。

引脚7：接电源端。

引脚8：自举端。

在使用集成功率放大器时，都要加接适当的外围电路。5G37用作音频功率放大时的外围电路如图8-38所示。图8-38

5G37用作音频功率放大时的外围电路

8.7场效应半导体三极管及其放大电路

8.7.1场效应半导体三极管的分类

1.绝缘栅场效应三极管

绝缘栅场效应晶体管按其结构不同分为N沟道和P沟道两类，每种又有增强型和耗尽型两类。下面简单介绍它们的工作原理。

图8-39是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称做漏极D和源极S，如图8-39(a)所示。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称做栅极G。另外，在衬底上也引出一个电极B，这样就构成了一个N沟道增强型MOS管。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图8-39(b)是它的符号。图中，其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。图8-39

N沟道增强型绝缘栅场效应管场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已连接好)。由图8-40(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型衬底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。图8-40

N沟道增强型场效应管的沟道形成图若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，

漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图8-40(b)所示。当UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子增多。当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图

8-40(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用UT

表示。由上述分析可知，N沟道增强型场效应管在UGS＜UT时，不能形成导电沟道，场效应管处于截止状态。只有当UGS≥UT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压UDS，才有漏极电流ID产生，而且随着UGS增大，沟道变厚，沟道电阻减小，ID增大。这是N沟道增强型场效应管的栅极电压控制的作用，因此，场效应管通常也称为压控三极管。

N沟道增强型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线如图8-41和图8-42所示。图8-41

N沟道增强型场效应管的输出特性曲线图8-42

N沟道增强型场效应管的转移特性曲线

2．耗尽型绝缘栅场效应管

从结构上看，N沟道耗尽型场效应管与N沟道增强型场效应管基本相似，其区别仅在于当栅-源极间电压UGS=0时，耗尽型场效应管中的漏-源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在UGS≥UT时才出现导电沟道。其原因是：制造N沟道耗尽型场效应管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型场效应管时掺入负离子)，如图8-43(a)所示，因此即使UGS=0，在这些正离子产生的电场作用下，漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压UDS，就有电流ID。

图8-43

N沟道耗尽型场效应管如果加上正的UGS，则栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，ID增大；反之，当UGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小。当UGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，ID趋于零，该管截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，用UP表示，为负值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情况下，均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流下均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型场效应管的一个重要特点。图8-43(b)是N沟道耗尽型场效应管的符号。图8-44是N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线，图8-45是N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线。实验表明，耗尽型场效应管的转移特性可近似表示为

(8-42)

式中，IDSS为饱和漏电流。图8-44

N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线图8-45

N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型管和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图8-46所示。图8-46

P沟道绝缘栅场效应晶体管关于场效应管的各种参数及特性见相关资料。

绝缘栅场效应管还有一个表示放大能力的参数，即跨导，用符号gm表示。跨导gm是当漏-源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ΔID对引起这一变化的栅-源电压ΔUGS的比值，即

(8-43)

跨导是衡量场效应晶体管栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，它的单位是μA/V或mA/V。8.7.2场效应三极管放大电路

1．自偏压偏置电路

图8-47所示的电路是一个自偏压偏置电路。图中，源极电流IS(等于ID)流经源极电阻RS，在RS上产生电压降RSIS。显然，UGS=－RSIS=－RSID，它是自给偏压。

RS为源极电阻，静态工作点受它控制，其阻值约为几千欧。

CS为源极电阻上的交流旁路电容，其容量约为几十微法。

RG为栅极电阻，用以构成栅、源极间的直流通路，RG

的值不能太小，否则影响放大电路的输入电阻，其阻值约

为200kΩ～10MΩ。

RD为漏极电阻，它使放大电路具有电压放大功能，其阻值约为几十千欧。

C1、C2分别为输入电路和输出电路的耦合电容，其容量约为0.01～0.047μF。图8-47耗尽型绝缘栅场效应管的自偏压偏置电路

2．分压式偏置电路

图8-48所示为分压式偏置电路。图中，RG1和RG2为分压电阻。

栅-源电压为(电阻RG中并无电流通过)

(8-44)

式中，UG为栅极电位。对N沟道耗尽型场效应管，UGS为负值，所以RSID＞UG；对N沟道增强型场效应管，UGS为正值，所以RSID＜UG。图8-48分压式偏置电路当有信号输入时，我们对放大电路进行动态分析，主要是分析它的电压放大倍数及输入电阻与输出电阻。图8-49是图8-48所示的分压式偏置放大电路的交流通路。设输入信号为正弦量。图8-49分压式偏置放大电路的交流通路在图8-48所示的分压式偏置电路中，假如RG=0，则放大电路的输入电阻为

ri=RG1∥RG2∥rGS≈RG1∥RG2

因为场效晶体管的输入电阻rGS是很高的，比RG1或RG2都高得多，所以三者并联后可将rGS略去。显然，RG1和RG2的接入使放大电路的输入电阻降低了。因此，通常在分压点和栅极之间接入一个阻值较高的电阻RG，这样就大大提高了放大电路的输入电阻。因此，输入电阻为

ri=RG+(RG1∥RG2)

(8-45)

RG的接入对电压放大倍数并无影响。在静态时，RG中无电流通过，因此也不影响静态工作点。

由于场效应晶体管的输出特性具有恒流特性(由输出特性曲线可见)，又因

故其输出电阻是很高的。在共源极放大电路中，漏极电阻RD和场效应管的输出电阻rDS是并联的，所以当rDS>>RD时，放大电路的输出电阻为

ro≈RD(8-46)

这点和晶体管共发射极放大电路是类似的。输出电压为

(8-47)

式中，

电压放大倍数为

(8-48)

式中的负号表示输出电压和输入电压反相。

【例8-6】在图8-48所示的放大电路中,已知UDD=20V,RD=10kΩ，RS=10kΩ,RG1=200kΩ,RG2=51Kω,RG=1MΩ,RL=10kΩ。场效应管的参数为IDSS=0.9mA，UP=－4V，gm=1.5。试求：

(1)静态值；

(2)电压放大倍数。

解

(1)由电路图可知:

并可列出

UGS=UG－RSID=4－10×103ID在UP≤UGS≤0范围内，耗尽型场效晶体管的转移特性可近似用下式表示:

联立上列两式可得

解之得

ID=0.5mA,

UGS=－1V并由此得

(2)电压放大倍数为

式中，RL′=RD∥RL。小结

一、基本要求

1.理解三极管的基本结构、工作原理和主要特性曲线，理解其主要参数的意义，理解晶体管的电流分配和放大作用。

2.理解共发射极基本放大电路的基本结构和工作原理，掌握静态工作点的估算，掌握微变等效电路的分析方法，了解输入电阻、输出电阻的概念，掌握射极输出器的特点。

3.了解基本的互补对称功率放大电路。

4.了解共源极放大电路的工作原理。

二、内容提要

1．三极管是具有放大作用的半导体器件，根据结构及工作原理的不同可分为双极型三极管和单极型三极管。双极型三极管(简称BJT)又称晶体三极管，它工作时有空穴和自由电子两种载流子参与导电；单极型三极管又称场效应管(简称FET)，工作时只有一种载流子(多数载流子)参与导电。

2．晶体三极管是由两个PN结组成的有源三端器件，分为NPN和PNP两种类型，根据材料不同有硅管和锗管之分。晶体三极管中三个电极电流之间的关系为：iC＝βiB＋ICBO≈βiB，iE=iC+iB。其中，iC、iB、iE分别为集电极、基极、发射极电流；ICEO为穿透电流；β为共发射极电流放大系数，是晶体三极管的基本参数。

3．晶体三极管因偏置条件不同，有放大、截止、饱和三种工作状态。

放大状态的偏置条件为：发射结正偏，集电结反偏。其工作特点为：iC＝βiB，即iC具有恒流特性，三极管具有线性放大作用。截止状态的偏置条件为：发射结零偏或反偏，集电结反偏。其工作特点为：iB≈0，iC≈0。饱和状态的偏置条件为:发射结正偏，集电结正偏。其工作特点为：uCE＜uBE，iC<βiB，iC不受iB控制，而随uCE增大迅速增大。

4．使用晶体三极管时应注意管子的极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO，以防止三极管损坏或性能变差，同时还要注意温度对三极管特性的影响，ICEO越小的管子，其稳定性就越好。由于硅管的温度稳定性比锗管好得多，所以，目前电路中一般都采用硅管。

5．在三极管电路中，只研究直流电源作用下，电路中各直流量大小的分析称为直流分析(也称为静态分析)，由此而确定的各极直流电压和电流称为静态工作点参数。当外电路接入交流信号后，为了确定叠